Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
"Вимірювальний контроль в оптичній мікроскопії"
МІНСЬК, 2008
Оптична (світлова) мікроскопія
Найпростішим мікроскопом є двохлінзовий мікроскоп. На рис.2. схематично зображено як формується мікроскопічне зображення в системі двох збирають лінз. Перша з них - об'єктив, формує дійсне збільшене зображення об'єкта АВ - А'В '.
Рис.1. Класифікація оптичних методів НК
Рис.2. Схема двохлінзовий мікроскопа
1 - об'єктив; 2 - окуляр; 3 - вимірювальна шкала або сітка
Зображення А'В 'потім розглядається в окуляр (друга лінза), і остаточне зображення А "В", що отримується при цьому, є уявним. Формуванню зображення в світловому мікроскопі супроводжують, відповідно до теорії Аббе, два ефекти, знижують роздільну здатність: спочатку дифракція світла на мікроскопічних деталях об'єкта, потім, після проходження дифрагованих променів через лінзу, їх інтерференція. Ці ефекти не дозволяють вивчати мікрооб'єкти розміром менше 10-6 м.
Щоб вивчати більш малі мікрооб'єкти застосовують метод "темного поля" (рис.3). Його принцип полягає в тому, що досліджуваний прозорий об'єкт висвітлюється косими променями, які за відсутності розсіяння або заломлення не потрапляють в об'єктив мікроскопа. Якщо ж об'єкт дослідження містить включення, також прозорі, але з іншим показником заломлення, то промені, що пройшли через ці включення і змінили свій напрямок, потрапляють в об'єктив і візуалізують їх. Оскільки основна частина світлових променів мине об'єктив, поле зору залишається темним і на його тлі видно світлі зображення микровключений. У мікроскопі, реализующем метод "темного поля" (ультрамікроскоп), видно частинки розміром 2 * 10-9 м. Важливими галузями застосування ультрамікроскопа є контроль чистоти атмосфери, води, поверхонь і т.д. Однак недоліком таких мікроскопів є неможливість вимірювання геометричних розмірів микровключений і дефектів (вони виявляються, але чіткого обрису їх форми не виходить).
Рис.3. Освіта темнопольного зображення при прямому (а) і косому (б) освітленні об'єкту:
1 - освітлювач; 2 - дзеркало, 3 - затемнює пластина; 4 - об'єктив;
5 - зображення світлого дефекту на темному полі
Одним з перспективних напрямів підвищення ефективності контролю ВЕТ є використання ультрафіолетових (УФ) променів. Основний ефект при цьому полягає в підвищенні майже в два рази роздільної здатності УФ мікроскопа порівняно зі світловим. Має місце і ще один позитивний ефект: підвищення чіткості зображень. В основу методу покладено явище сильного відмінності в поглинанні УФ променів різної довжини хвилі різними речовинами.
Знімаючи мікроскопічне зображення одного і того ж об'єкта кілька разів на УФ - променях різної довжини хвилі, можна отримати набір мікрофотографій, різною мірою відображають різні деталі об'єкта дослідження. Потім чорно-білі негативи (або позитиви) цих зображень за допомогою хромоскопія проектують на загальний екран, поставивши перед кожним зображенням фільтр певного кольору. У результаті на екрані виходить багатобарвне зображення, добре виявляє деталі об'єкта.
Реєстрація мікроскопічних зображень в УФ променях проводиться в основному двома способами. У першому випадку в площині формування мікроскопічного зображення в УФ променях поміщають флюоресцентний екран, люмінофор якого при поглинанні УФ променів випускає світлові промені видимого діапазону. У другому випадку в площині зображення поміщають фотокатод електронно-оптичного перетворювача (ЕОП), що випускає під дією ультрафіолету Фотоелектрони. Фокусуючи електрони в площині флуоресціюючого екрану ЕОПа можна отримати видиме зображення досліджуваного об'єкта.
2. Вимірювальний контроль в оптичній (світловий) мікроскопії
При виробництві комплектуючих виробів для ЕА і СМЕ, в умовах найбільш розповсюдженою в даний час планарно-епітаксійний технології, неруйнівний 100%-ний контроль інтегральних мікросхем (ІМС) на етапах, що передують створенню на кристалі контактних майданчиків, може бути здійснено за двома основними напрямками: вимір різного роду геометричних величин (довжина, ширина, товщина, глибина, а також розміри і щільність поверхневих дефектів) і вимірювання ряду фізико-хімічних параметрів, до числа яких відносяться питомий опір, склад і структура матеріалів, що утворюють технологічні шари, концентрація і рухливість носіїв заряду.
Геометричні розміри елементів визначають параметри і властивості ІМС, а відхилення розмірів елементів призводять не тільки до відхилень технічних характеристик ІМС, а й до виходу їх з ладу. До цих пір для контролю лінійних розмірів широко використовуються візуальний метод і універсальні (біологічні та ін) мікроскопи, що не мають ні необхідної точності, ні необхідної продуктивності. При цьому, як правило, відсутня автоматизація процесу та документування результатів вимірювань.
Візуальний метод може бути вдосконалений і умови спостережень і вимірювань поліпшені за рахунок застосування телевізійної та лазерної техніки. При цьому полегшується праця оператора, знижується його стомлюваність, можливість появи промахів і грубих помилок у вимірах, підвищується продуктивність праці, що завжди важливо при виробничому контролі, однак точності візуального методу залишаються колишніми. Телевізійні мікроскопи для візуальних вимірювань і контролю фактично являють собою просте поєднання звичайного оптичного мікроскопа з телевізійною установкою, де зображення розглядається оператором не через окуляр, а на екрані телевізійного монітора (рис.4).
У ряді випадків у виробничому контролі використання таких мікроскопів замість оптичних має переваги, наприклад при досить високій загальній освітленості виробничого приміщення. При цьому стомлюваність оператора при спостереженні і вимірах з використанням телевізійного екрану значно нижче, так як не потрібно стала акомодація зору, можуть бути підібрані оптимальні яскравість і контраст зображення - за рахунок спеціальної обробки відеосигналу (фільтрація постійної складової, корекція чіткості, вибір оптимальної амплітудно-частотної характеристики підсилювачів і т.д.). Це особливо важливо при спостереженні таких малоконтрастних об'єктів, якими є ІМС. Крім того, полегшуються загальні умови спостереження (дистанція, положення голови і тіла, групове спостереження і т.д.).
За допомогою телевізійного мікроскопа можна проводити візуальні спостереження і вимірювання як в видимому, так і в ІЧ і УФ діапазонах спектра. Для реалізації цього необхідно, щоб мішень телевізійної трубки була чутлива у відповідному спектральному діапазоні, а спектр люмінесценції вибирався з урахуванням необхідних умов спостереження і контролю.
В даний час набули широкого поширення телевізійні вимірювачі лінійних розмірів, які можуть бути побудовані за двома різними схемами: з проекцією зображення на передавальну телевізійну трубку і зі скануванням оптичного променя. Перший тип телевізійних вимірювальних пристроїв є більш поширеним. Він складається з таких основних блоків (рис. 4): оптичного мікроскопа, телевізійної камери, відеоконтрольного пристрої та аналізатора телевізійних зображень (АТІ). У функції АТІ входить обробка відеосигналу і вимірювання по ньому геометричних параметрів контрольованого об'єкта. На рис.5 і 6 відображені реальні телевізійні мікроскопи з вимірювальними системами, що дозволяють аналізувати і обробляти зображення різних елементів ЕА з метою дослідження структурних і фізико-хімічних характеристик їх матеріалів.
Рис.4. Телевізійний мікроскоп
1 - мікрооб'єктів, 2 - напівпрозоре дзеркало, 3 - окуляр, 4 - об'єктив телевізійної камери, 5 - телевізійна передавальна трубка, 6 - блок формування відеосигналу, ТВК - телевізійна камера, СКУ - відеоконтрольний пристрій, АТІ - аналізатор телевізійних зображень
Іншим типом телевізійних вимірювальних систем є телевізійні мікроскопи зі скануванням оптичним променем. Можливі два способи отримання скануючого оптичного променя: за допомогою спеціальної електронно-променевої трубки з біжучим світловим плямою (рис.7) та шляхом рядкової-кадрової розгортки лазерного променя по поверхні досліджуваного об'єкта та реєстрації при цьому відбитого світла (Рис.8).
В даний час практично використовуються лазерні телевізійні мікроскопи, призначені для використання в технології мікроелектроніки. Вони дозволяють здійснювати спостереження на екрані відеомонітора як звичайне зображення поверхні кристала ІМС, що утворюється розсіяним на об'єкті світлом, так і внутрішнє зображення активних компонентів ІМС, що є результатом прояву внутрішнього фотоефекту, викликаного поглинанням інтенсивного лазерного випромінювання (Рис.9). Це зображення несе інформацію про стан напівпровідникових структур і дозволяє проаналізувати відмови, що виникають всередині напівпровідникового кристала ІМС, безконтактним способом з використанням своєрідного лазерного щупа-зонда.
Рис. 7. Принципова схема телевізійного мікроскопа з біжучим плямою:
1 - ЕЛТ з біжучим плямою; 2 - напівпрозоре дзеркало (светоделітель), 3 - окуляр мікроскопа; 4 - об'єктив; 5 - дзеркало; 6 - об'єкт контролю; 7 - ФЕУ; 8 - електронна система, 9 - СКУ; 10 - реперна координатна сітка (еталонна шкала); 11 - електронний блок з фотоприймачем, коригуючий аберації мікрооб'ектіва і нелінійність розгортки
В основу даного методу неруйнівного контролю закладений процес оптичної генерації вільних носіїв заряду в напівпровіднику. При поглинанні світла з енергією кванта, що перевищує ширину забороненої зони, у поверхневому шарі напівпровідника виникають вільні носії заряду обох типів.
Рис.8. Схема лазерного скануючого мікроскопа:
1-лазер; 2-вертикальний та горизонтальний дефлектори (хитні дзеркала); 3-електропривод дефлекторів; 4-оптична система (обернений мікроскоп); 5-досліджувана мікросхема; 6-предметний столик; 7-електронний блок обробки відеосигналу; 8-СКУ; 9-генератор розгорток; 10-ФЕУ
Рис.9. Фотоответное зображення планарного транзистора в кристалі ІМС:
а - зовнішня світлова мікрофотографія n - p - n-транзистора; б - фотоответное зображення переходу база-емітер при зворотному включенні (перехід замкнений) з напругою U БЕ =- 0,01 В; в - U БЕ =- 0,16 В
Якщо поблизу від області генерації знаходиться потенційний бар'єр будь-якого походження (наприклад, pn-перехід, бар'єр Шотки, кордон поверхні), то надлишкові електрони і дірки, що дійшли в результаті дифузії до цього бар'єру, під дією внутрішнього поля розділяються і рухаються в протилежних напрямках. При цьому в зовнішній ланцюга виникає фото-ЕРС або фотострум. З наближенням світлового зонда до області бар'єру фотоответ збільшується пропорційно числу розлучених полем носіїв і досягає максимуму при висвітленні області об'ємного заряду потенційного бар'єру.
Якщо сканувати поверхню напівпровідникової структури оптичним зондом і реєструвати в кожній точці фотострум, то картина розподілу фотоструму, так зване фотоответное зображення структури, буде відображати розташування pn-переходів і інших потенційних бар'єрів, що дозволяє візуалізувати різні дефекти активних елементів ІМС (рис.10). Цей метод може ефективно застосовуватися для контролю стану активних елементів (пряме і зворотне включення транзисторів, логічне стан тригерів) (рис.11). У складних ІМС при знятті сигналу фотоответа у спільному колі характер фотоответного зображення елемента визначається не тільки його власним станом, а й взаємозв'язками з іншими елементами (12). При цьому з'являється можливість отримати інформацію про стан практично всіх активних елементів, доступ електричних зондів до яких практично важко або взагалі неможливо.
Рис.10. Фотоответное зображення транзисторів у фотоматриці (а):
б - придатний транзистор; в, г - дефектні транзистори
Рис.11. Фотоответное зображення транзисторів при прямому (а) і обернений (б) зміщення і фотоответное зображення активних елементів тригера (в)
Рис.12. Принципова схема адресного формувача БІС ЗУ (а) і його фотоответное зображення при зниженому (б) і нормальному (в) напрузі живлення
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Давидов П.С. Технічна діагностика радіоелектронних пристроїв і систем. - М.: Радіо і зв'язок, 2005. - 256 с.
2. Технічні засоби діагностування: Довідник / За заг. ред. В.В. Клюєва. - М.: Машинобудування, 2005. - 672 с.
3. Прилади для неруйнівного контролю матеріалів і виробів. - Довідник. У 2-х кн. / Под ред. В.В. Клюєва - М.: Машинобудування, 2006.
4. Г.А. Кейджян. Прогнозування надійності мікроелектронної апаратури на основі ВІС. - М.: Радіо і зв'язок, 2002.